حداکثر عمق اختلاط
پخش آلاینده*ها در لایه* زیرین جو به تاحد زیادی توسط پدیده اختلاط همرفتی و تلاطمی تقویت می*شود. میزان اختلاط عمودی بصورت روزانه، از فصلی به فصل دیگر و همچنین تحت تأثیر شرایط توپوگرافیکی تغییر می*کند. هر چه میزان اختلاط عمودی بیشتر باشد هوای بیشتری برای رقیق کردن غلظت آلاینده*ها در دسترس است. شناوری حرارتی[1] بر میزان عمق لایه اختلاط همرفتی، که
جدول 3-3 مقادیر توان، p ، در رابطه (3-13)
Source: User, Guide for the ISC3 Dispersion Models, vol.II, EPA-454/B-95-003b, U.S. EPA, September, 1995. Available on TTNWeb SCRAM
گروه پایداری منطقه روستایی منطقه شهری A 07/0 15/0 B 07/0 15/0 C 10/0 20/0 D 15/0 25/0 E 35/0 30/0 F 55/0 30/0
حداکثر عمق اختلاط[2] نام دارد تاثیر می*گذارد. معمولاً اطلاعات به صورت میانگین یک دورۀ ماهانه داده می*شود؛ در نتیجه، مقادیر MMD موجود به صورت میانگین حداکثر عمق* اختلاط[3] (MMMD) بیان می*شوند.
هنگامی که یک بسته هوا توسط تابش خورشیدی در سطح زمین گرم می*شود، دمای آن از دمای هوای محیط اطراف بالاتر می*رود و نیروی شناوری به آن اعمال می*شود. شتاب ناشی از نیروی شناوری که به علت همین اختلاف دما بوجود می*آید را می*توان به طریق زیر بدست آورد. معادله حاکم بر یک المان سیال در اتمسفر که در حالت تعادل استاتیکی با محیط است توسط معادله (3-1) بیان می*شود:
حال یک توده هوا را در نظر بگیرید که به طرف بالا شتاب گرفته و گرم می*شود. معادله حاکم برای این توده هوا مشابه رابطه (3-1) است با این تفاوت که این معادله شامل یک عبارت اینرسیایی برای درنظر گرفتن اثر شتاب است. لذ برای این بسته هوا داریم:
(3-1) [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image002.gif[/IMG]
[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image004.gif[/IMG]
[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image006.gif[/IMG] شتاب بسته هوا، [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image008.gif[/IMG] چگالی بسته هوای گرم شده و ρ در معادله (3-1) چگالی هوای گرم نشده اطراف است. از آنجا که فشار برای توده هوای گرم شده و محیط* گرم نشده اطراف یکسان است لذا عبارت [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image010.gif[/IMG] دارای علامت(' ) نخواهد بود. با جایگذاری معادله (3-1) در رابطه اخیر داریم:
[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image012.gif[/IMG][IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image014.gif[/IMG]
در نهایت، با استفاده از معادله گازهای ایده*آل برای بسته هوای گرم شده و هوای اطراف آن، که دارای فشار یکسان هستند، خواهیم داشت:
[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image016.gif[/IMG]
با جایگزینی [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image018.gif[/IMG] و [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image020.gif[/IMG] در عبارت [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image006.gif[/IMG] با استفاده از معادلات گاز ایده*آل:
معادله (3-15) نشان می*دهد که یک بسته هوا بعد از گرم شدن تا زمانی که دمای آن [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image025.gif[/IMG] با دمای هوای محلی برابر شود به صعود خود در اتمسفر ادامه خواهد داد. در این نقطه توده هوا و محیط اطراف آن در تعادلی خنثی خواهند بود و این ارتفاع را حد لایه اختلاط همرفتی[4] یا حداکثر عمق اختلاط گویند. اين شرایط در شكل3-14(الف) نشان داده شده است كه در آن انديس 0 براي T نشان دهنده مقدار آن در سطح زمين است. بطور کلی دماي اتمسفر در سطح زمين T0 است و نیمرخ دمايي آن با خط ممتد (dT/dz)env نشان داده شده است. فرض کنید يك بسته هوا توسط تابش خورشید تا دمای T'0 در سطح زمین گرم شود. همانطور که در شکل با خط نقطه چین نشان داده شده است، اين بسته هوا با نرخ کاهش آدیاباتیک خشک Γ به سمت بالا منبسط می*شود. محل تقاطع اين دو خط حداکثر عمق اختلاط MMD را نشان می*دهد. در هواي بسيار پايدار گراديان كلي دماي اتمسفري شبیه به شكل3-14(ب) خواهد بود. در اين شرايط ارتفاع MMD بسیار كمتر از حالتي است كه در شكل3-14(الف) نشان داده شده است. شكل 3-14(ج) موقعيتMMD را در حضور يك لايه وارونگي فوقاني نشان مي دهد.
(3-15) شتاب شنا*وری [IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image023.gif[/IMG]
در عمل، MMD به كمك نیمرخ دمای اتمسفر واقعی برای كيلومترها بالاتر از سطح زمين تعيين مي گردد. در عمل بالونی به سطوح فوقانی جو فرستاده شده و مقادير دمادر ارتفاع هاي مختلف گزارش مي شود. اين روش به اندازه*گيرهاي راوين سوند[5] معروف است. اين مقایر در مقابل ارتفاع ترسيم مي شوند. خط دماي آدیاباتیک خشك*که از نقطه حداکثر دماي متوسط ماهانه در سطح زمین شروع می*شود، نیز ترسيم مي گردد. ارتفاعي كه در آن خط آدیاباتیک خشك خط راوين*سوند را قطع مي كند بیان*گر MMD است. مقادیر دمای اتمسفر معمولاً در شب اندازه*گيري مي*شوند هر چند اندازه*گیری*های صبح*گاهی نیز معمولا مورد استفاده قرار می*گیرد.
[IMG]file:///C:\Users\DR951A~1.KAL\AppData\Local\Temp\msohtmlcl ip1\01\clip_image027.jpg[/IMG]
شكل 3-14: تعیین حداکثر عمق اختلاط (MMD) در شرایط جوی مختلف
(نيمرخ آدیاباتیک --- و نيمرخ محیطی _____)
مقدار MMD معمولاً در شب به حداقل خود رسيده و در طي ساعات روز با تابش خورشید افزايش مي يابد. اگر در طول شب وارونگي شدید داشته باشیم مقدار MMD ممكن است تقريباً به صفر برسد در حالي*كه مقادير بيش از m2000 يا m 3000 نيز در روز متداول است. از لحاظ فصلي، متوسط MMD در زمستان (ماههاي آذر و دی) کمترین مقدار و در آغاز تابستان(تیر) بیشترین مقدار را دارد. دانشمندی به نام هولس ورت[6] [6] ميانگين حداكثر عمق*هاي اختلاط را براي سراسر ايالات متحده در فصول مختلف و براي دوره*هاي صبح و بعد*از*ظهر جمع*آوری کرده است. شكل*هاي3-15(الف) و (ب) ميانگين عمق*هاي اختلاط در صبح و بعد*از*ظهر را براي فصل زمستان نشان می*دهد. هرچند این عمق*ها در بعد*از*ظهر با ميانگين حداكثر عمق*هاي اختلاط (MMMD) هماهنگی دارد اما واضح است كه عمق*هاي اختلاط صبحگاهي از مقدار MMMD كمتر بوده و در نتيجه در ساعات ابتدايي صبح میزان پخش آلاینده*ها کاهش می*یابد. میانگین حداکثر عمق*های اختلاط در بعدازظهر تابستان، به علت افزایش اختلاط گرمایی، 5/1تا 3 برابر بزرگتر از مقدار آن در زمستان است. تخمین زده می*شود که این عمق به بیش از 3600 متر در نواحی جنوب غربی ایالات متحده برسد[5]. باید توجه داشت که مشکل آلودگی هوای مناطق شهری اکثرا زمانی اتفاق می*افتد که مقدار MMD کمتر از 1500 متر است. از آنجا که مقدار MMD در اکثر نواحی شهری کمتر از این مقدار است بنابراین غالبا پتانسیل ایجاد مشکلات آلودگی هوا بالا است.
[1]-thermal buoyancy
[2]-maximum mixing depth
[3]-mean maximum mixing depth
[4]-The limit of the convective mixing layer
[5]-rawinsonde
[6]-Holzworth
پاسخ با نقل قول
